Читать книгу Opowieść o początku. Wielka historia wszystkiego - David Enßlen Christian - Страница 10

Punktem oparcia dla najpopularniejszego na świecie opisu zupełnego początku jest idea Wielkiego Wybuchu. Jest to jeden z głównych paradygmatów współczesnej nauki, na równi z doborem naturalnym w biologii lub ruchami tektonicznymi płyt w geologii8.

Kluczowe elementy historii wielkiego wybuchu pojawiły się dopiero na początku lat sześćdziesiątych XX wieku. Dopiero wtedy astronomowie po raz pierwszy odkryli istnienie kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła (promieniowanie reliktowe, Cosmic Microwave Background Radiation, CMBR) — energii pozostałej po Wielkim Wybuchu, a obecnej w każdym miejscu współczesnego świata. Chociaż kosmolodzy wciąż mają trudności ze zrozumieniem chwili, w której pojawił się nasz wszechświat, potrafią opowiedzieć przebieg szalonej historii, która zaczyna się (teraz czas na głęboki oddech, i mam nadzieję, że się nie pomylę) miliardową część miliardowej miliardowej miliardowej miliardowej sekundy po pojawieniu się wszechświata (około 10-43 sekund od momentu zero).

A z grubsza było to tak. Nasz wszechświat wziął swój początek z maleńkiego punktu, mniejszego niż atom. Czyli jakie to było duże? Umysły naszego gatunku ewoluowały tak, by radzić sobie z obiektami o wielkości wyrażanej w ludzkich skalach, więc mają one wielkie problemy z pojęciem obiektów tak malutkich, ale może warto wiedzieć, że na kropce wydrukowanej na końcu tego zdania można by wcisnąć aż milion atomów9. W chwili Wielkiego Wybuchu cały wszechświat był mniejszy niż atom. Skompresowana w nim była cała obecna w dzisiejszym wszechświecie energia i materia. Dokładnie wszystko. I może to niezbyt intrygujący pomysł i na pierwszy rzut oka może nawet wydawać się szalony, ale wszystkie dowody, którymi obecnie dysponujemy, mówią, że około 13,82 miliarda lat temu ten dziwny, malutki i fantastycznie gorący obiekt istniał naprawdę.

Nie rozumiemy jeszcze, jak i dlaczego to coś się w ogóle pojawiło. Jednak fizyka kwantowa dowodzi, a akceleratory cząstek — które rozpędzają cząstki subatomowe do dużych prędkości za pomocą pól elektrycznych lub elektromagnetycznych — wykazują, że w próżni naprawdę może się pojawić coś z niczego, aczkolwiek zrozumienie, co to oznacza, wymaga wyrafinowanych zdolności pojmowania niczego. We współczesnej fizyce kwantowej nie można dokładne określić ani położenia, ani ruchu cząstek subatomowych. Oznacza to, że nigdy nie można powiedzieć na pewno, że dany obszar przestrzeni jest zupełnie pusty, co świadczy o tym, że pustka oczekuje w napięciu, iż może się coś pojawić. Podobnie jak „ani nieistnienie, ani istnienie” w indyjskich hymnach wedyjskich napięcie to zdaje się dźwigać cały nasz wszechświat10.

Dziś określamy tę pierwszą chwilę istnienia wszechświata mianem Wielkiego Wybuchu, zupełnie tak jakby, niczym nowo narodzone dziecko, wszechświat krzyknął zaraz po swoim urodzeniu. Ten termin został ukuty w 1949 roku przez angielskiego astronoma, Freda Hoyle’a, który osobiście w zasadzie uważał ten pomysł za absurdalny. Na początku lat trzydziestych XX wieku, kiedy po raz pierwszy pojawiła się koncepcja Wielkiego Wybuchu, belgijski astronom (a zarazem ksiądz katolicki), ­Georges Lemaître, określił nowo narodzony wszechświat mianem „kosmiczne jajo” lub też „atom pierwotny”. Było to dla, w owym czasie nielicznych jeszcze naukowców, którzy potraktowali tę koncepcję poważnie, oczywiste, że przy tak dużej ilości skompresowanej energii atom pierwotny musiał być niewiarygodnie gorący i nie miał innego wyjścia jak tylko rozprężać się w sposób niepohamowany w celu zredukowania ciśnienia. To rozszerzanie trwa do dziś; zupełnie jakby ta przeogromna sprężyna przez ponad trzynaście miliardów lat stale się rozciągała.

W pierwszych sekundach i minutach po Wielkim Wybuchu wiele się wydarzyło. Co najważniejsze, pojawiły się pierwsze interesujące struktury i wzory, pierwsze twory lub energie, które przybrały nieprzypadkowe formy i właściwości. Pojawienie się czegoś o nowych charakterystycznych cechach zawsze zdaje się nieść ze sobą jakiś pierwiastek magiczny. I jak się przekonamy, we współczesnej historii początku stale mamy z tym do czynienia, choć to, co jak na razie wydaje się istnieć za sprawą magii, może się wydać mniej magiczne, kiedy już zrozumiemy, że nowa rzecz i jej nowe cechy wcale nie wzięły się znikąd ani z niczego. Nowe twory o nowych właściwościach wykształcają się z już istniejących obiektów i sił, które zostają jedynie zorganizowane w nowy sposób. To nic innego jak tylko nowe konfiguracje, które tworzą nowe właściwości, podobnie jak ułożenie płytek podłogowych w inny sposób może dać całkiem nowy wzór na mozaice. Weźmy przykład z chemii. Zwykle uważamy, że wodór i tlen są bezbarwnymi gazami. Ale spróbujmy połączyć dwa atomy wodoru z pojedynczym atomem tlenu w określonej konfiguracji, a otrzymamy cząsteczkę wody. Zbierzmy wiele takich cząsteczek razem, a otrzymamy zupełnie nową cechę, którą uznamy za „wodnistość”. Za każdym razem, kiedy widzimy nową formę lub strukturę o nowych cechach, tak naprawdę widzimy jedynie nowe aranżacje tego, co istniało już wcześniej. Innowacja to wykształcanie się czegoś nowego. Jeśli główną postacią naszej opowieści ma być właśnie zjawisko wyłaniania się czegoś nowego, to prawdopodobnie będzie to bohater tajemniczy i nieprzewidywalny, który być może niespodziewanie wyłoni się z cienia, żeby pchnąć fabułę w nowe, zaskakujące kierunki.

Pierwsze struktury i wzory we wszechświecie pojawiły się właśnie w ten sposób, ponieważ obiekty i siły, które zapoczątkował Wielki Wybuch, zostały zestawione w nowe konfiguracje.

W najwcześniejszym momencie, na co mamy pewne dowody, czyli zaledwie ułamek sekundy po Wielkim Wybuchu, wszechświat składał się z czystej, przypadkowej, niezróżnicowanej, bezkształtnej energii. Możemy pomyśleć o energii jako o potencjale zaistnienia czegoś, zdolności tworzenia rzeczy lub zmiany. Energia we wnętrzu atomu pierwotnego była wprost oszałamiająca, sięgająca kwintyliarda stopni powyżej zera absolutnego. Nastąpił wówczas krótki okres superszybkiej ekspansji, znanej jako inflacja kosmiczna. Rozprzestrzenianie to było tak gwałtowne, że duża porcja wszechświata mogła zostać wyrzucona daleko poza zasięg czegokolwiek, co kiedykolwiek zdołamy zobaczyć. Co oznacza, że to, co dziś widzimy, jest prawdopodobnie zaledwie niewielkim fragmenten całego naszego wszechświata.

Ułamek sekundy później tempo ekspansji uległo spowolnieniu. Nieposkromiona energia Wielkiego Wybuchu ustabilizowała się, a podczas gdy wszechświat wciąż się rozszerzał, obecna w nim energia ulegała rozprężeniu i rozrzedzeniu. Średnia temperatura zmalała i dalej spada, tak więc dziś większość wszechświata ma temperaturę zaledwie 2,76 stopnia powyżej zera bezwzględnego. (Zero bezwzględne to temperatura, która uniemożliwia nawet najmniejsze drgania materii). Ani my, ani żadne inne organizmy na Ziemi nie odczuwamy tego chłodu, ponieważ w cieple naszego Słońca grzejemy się jak przy ognisku.

W ekstremalnej temperaturze Wielkiego Wybuchu prawie wszystko było możliwe. Ale wraz z jej spadkiem możliwości te stawały się bardziej ograniczone. W pełnej chaosu mgle chłodnego wszechświata jak duchy zaczęły się wyłaniać odrębne twory, byty, które we wzburzonym kotle samego Wielkiego Wybuchu nie miały prawa powstać. Naukowcy owe zmiany formy i struktury określają mianem zmian fazowych. Zmiany fazowe możemy zaobserwować w życiu codziennym, kiedy para traci energię i zamienia się w wodę (której cząsteczki poruszają się w o wiele mniejszym zakresie niż cząsteczki pary) i kiedy woda zamienia się w lód (który ma tak mało energii, że jego molekuły po prostu ledwie drgają w miejscu). Woda i lód mogą istnieć tylko w wąskim zakresie bardzo niskiej temperatury.

W ciągu jednej miliardowej miliardowej miliardowej miliardowej części sekundy po Wielkim Wybuchu energia sama uległa zmianie fazowej. Rozszczepiła się na cztery znacznie odmienne rodzaje. Dzisiaj określamy je jako grawitację, siłę elektromagnetyczną oraz silne i słabe oddziaływanie jądrowe. Musimy umieć rozpoznawać ich różne osobowości, ponieważ to one ukształtowały nasz wszechświat. Siła grawitacji jest stosunkowo słaba, ale jej zasięg jest wyczuwalny na ogromne odległości i zawsze przyciąga wszystko do siebie, więc jej moc się kumuluje. Zwykle sprawia, że wszechświat ma przez to zwarty charakter. Energia elektromagnetyczna występuje w postaci negatywnej i pozytywnej, więc jej ładunki często się wzajemnie znoszą. Grawitacja, choć słaba, kształtuje wszechświat na dużą skalę. Oddziaływanie elektromagnetyczne zdominowało sferę chemii i biologii, a więc jest tym, co sprawia, że nasze ciało pozostaje w jednym kawałku. Trzecie i czwarte z tych zasadniczych sił określane są, dość beznamiętnie, mianem silnych i słabych sił jądrowych. Oddziałują na stosunkowo niewielkie odległości, więc mają znaczenie jedynie w skali subatomowej. My, ludzie, nie doświadczamy ich w sposób bezpośredni, ale w istocie kształtują one każdy aspekt naszego otoczenia, ponieważ decydują o tym, co się dzieje w głębi atomu.

Być może istnieją także inne gatunki energii. W latach dziewięćdziesiątych XX wieku nowe wskaźniki szybkości ekspansji wszechświata pozwoliły stwierdzić, że jej tempo nadal wzrasta. Dzięki idei zapoczątkowanej przez Einsteina wielu fizyków i astronomów twierdzi, że może istnieć forma antygrawitacji, która jest obecna w całej przestrzeni, a zatem jej moc będzie wzrastać wraz z rozszerzaniem się wszechświata. Dzisiaj masa tej energii może stanowić aż siedemdziesiąt procent całkowitej masy wszechświata. Ale nawet jeśli zaczyna już w nim dominować, to nie potrafimy jeszcze zrozumieć, czym jest ta energia ani jak działa, więc fizycy nazywają ją ciemną energią. Termin ten jest jedynie terminem roboczym. Niemniej miejmy lepiej na uwadze tę kwestię, gdyż zrozumienie ciemnej energii jest jednym z największych wyzwań współczesnej nauki.

Materia wyłoniła się w ciągu pierwszej sekundy po Wielkim Wybuchu. Materia to coś takiego, co stale ulega działaniu energii. Jeszcze ponad sto lat temu naukowcy i filozofowie zakładali, że materia i energia to twory odrębne. Teraz wiemy, że materia stanowi w istocie wysoce skompresowaną formę energii. Młody Albert Einstein zademonstrował to w swoim słynnym artykule z 1905 roku. Wzór — energia E jest równa masie m pomnożonej przez prędkość światła c do kwadratu, inaczej E = mc2 — obrazuje, ile energii zostało skompresowane wewnątrz danej ilości materii. Aby się dowiedzieć, ile energii jest uwięzione w odrobinie materii, pomnóż masę tej materii nie przez prędkość światła (która wynosi 300 000 kilometrów na sekundę), ale przez prędkość światła jeszcze dodatkowo pomnożoną przez siebie samą. Otrzymujemy wówczas ogromne wartości, więc dekompresując nawet niewielką ilość materii, uzyskujemy ogromną ilość energii. Tak się dzieje w momencie eksplozji bomby wodorowej. W początkach wszechświata nastąpił proces odwrotny. Ogromne ilości energii zostały ściśnięte do rozmiarów niewielkich porcji materii, takich jak drobinki pyłów zawieszonych w ogromnej mgławicy energii. Co warto zauważyć, nam, ludziom, udaje się na krótko odtworzyć takie procesy w Wielkim Zderzaczu Hadronów na przedmieściach Genewy. W ten sposób cząstki materii zaczynają wyskakiwać z wrzącego oceanu energii.

A my nadal jesteśmy dopiero w pierwszej sekundzie istnienia wszechświata…